Revisão cinética - Kinetic proofreading

A revisão cinética (ou amplificação cinética ) é um mecanismo de correção de erros em reações bioquímicas , proposto independentemente por John Hopfield (1974) e Jacques Ninio (1975). A revisão cinética permite que as enzimas discriminem entre duas possíveis vias de reação que levam a produtos corretos ou incorretos com uma precisão maior do que se poderia prever com base na diferença na energia de ativação entre essas duas vias.

O aumento da especificidade é obtido pela introdução de uma etapa irreversível de saída da via, com intermediários de reação levando a produtos incorretos mais propensos a sair prematuramente da via do que intermediários de reação levando ao produto correto. Se a etapa de saída for rápida em relação à próxima etapa do caminho, a especificidade pode ser aumentada por um fator de até a razão entre as duas constantes de taxa de saída. (Se a próxima etapa for rápida em relação à etapa de saída, a especificidade não será aumentada porque não haverá tempo suficiente para a saída ocorrer.) Isso pode ser repetido mais de uma vez para aumentar ainda mais a especificidade.

Paradoxo de especificidade

Na síntese de proteínas , a taxa de erro é da ordem de 1 em 10.000. Isso significa que quando um ribossomo está combinando anticódons de tRNA com os códons de mRNA , ele combina sequências complementares corretamente quase o tempo todo. Hopfield observou que, devido à semelhança entre os substratos (a diferença entre um códon errado e um códon certo pode ser tão pequena quanto uma diferença em uma única base), uma taxa de erro tão pequena é inatingível com um mecanismo de uma etapa. Tanto o tRNA errado quanto o certo podem se ligar ao ribossomo, e se o ribossomo só pode discriminar entre eles por combinação complementar do anticódon, ele deve contar com a pequena diferença de energia livre entre a ligação de três bases complementares combinadas ou apenas duas.

Uma máquina que testa se os códons combinam ou não, examinando se o códon e o anticódon estão ligados, não será capaz de dizer a diferença entre o códon errado e o certo com uma taxa de erro menor do que , a menos que a diferença de energia livre seja de pelo menos 10 kT , que é muito maior do que a diferença de energia livre para ligação de códon único. Este é um limite termodinâmico, portanto, não pode ser evitado construindo uma máquina diferente. No entanto, isso pode ser superado por revisão cinética, que introduz uma etapa irreversível por meio da entrada de energia. ${\ displaystyle e ^ {- 10}}$

Outro mecanismo de reconhecimento molecular, que não requer gasto de energia livre, é o da revisão conformacional . O produto incorreto também pode ser formado, mas hidrolisado a uma taxa maior do que o produto correto, dando a possibilidade de uma especificidade teoricamente infinita quanto mais tempo você deixar essa reação correr, mas ao custo de grandes quantidades do produto correto também. (Portanto, há uma troca entre a produção do produto e sua eficiência.) A atividade hidrolítica pode estar na mesma enzima, como nas DNA polimerases com funções de edição, ou em diferentes enzimas.

Catraca multipasso

Hopfield sugeriu uma maneira simples de obter taxas de erro menores usando uma catraca molecular que exige muitas etapas irreversíveis, cada uma testando para ver se as sequências combinam. Em cada etapa, a energia é gasta e a especificidade (a proporção do substrato correto para o substrato incorreto naquele ponto do caminho) aumenta.

A necessidade de energia em cada etapa da catraca se deve à necessidade de as etapas serem irreversíveis; para que a especificidade aumente, a entrada do substrato e do análogo deve ocorrer amplamente pela via de entrada e a saída pela via de saída. Se a entrada fosse um equilíbrio, as etapas anteriores formariam um pré-equilíbrio e os benefícios de especificidade da entrada na via (menos provável para o análogo de substrato) seriam perdidos; se a etapa de saída fosse um equilíbrio, então o substrato análogo seria capaz de reentrar no caminho através da etapa de saída, ignorando a especificidade das etapas anteriores.

Embora um teste não consiga discriminar entre sequências incompatíveis e combinadas em uma fração do tempo, dois testes falharão apenas na vez, e N testes falharão na ocasião. Em termos de energia livre, o poder de discriminação de N testes sucessivos para dois estados com energia livre é o mesmo que um teste entre dois estados com energia livre . ${\ displaystyle p = e ^ {- \ Delta F / kT}}$${\ displaystyle p ^ {2}}$${\ displaystyle p ^ {N}}$${\ displaystyle \ Delta F}$${\ displaystyle N \ Delta F}$

Para obter uma taxa de erro de, são necessárias várias etapas de comparação. Hopfield previu com base nesta teoria que há uma catraca de múltiplos estágios no ribossomo que testa a combinação várias vezes antes de incorporar o próximo aminoácido na proteína. ${\ displaystyle e ^ {- 10}}$

Exemplos experimentais

Comparação entre um mecanismo clássico de interação molecular (A) e uma revisão cinética com uma etapa (B). Devido à reação adicionada marcada em laranja em (B), a taxa de produção do grânulo vermelho é muito mais dependente do valor do qual é o objetivo da revisão cinética.${\ displaystyle k _ {- 1}}$

• Carregar tRNAs com seus respectivos aminoácidos - a enzima que carrega o tRNA é chamada de aminoacil tRNA sintetase . Esta enzima utiliza um estado intermediário de alta energia para aumentar a fidelidade de ligação do par certo de tRNA e aminoácido. Nesse caso, a energia é usada para fazer o intermediário de alta energia (tornando a via de entrada irreversível), e a via de saída é irreversível em virtude da diferença de alta energia na dissociação.
• Recombinação homóloga - A recombinação homóloga facilita a troca entre fitas de DNA homólogas ou quase homólogas. Durante esse processo, a proteína RecA polimeriza ao longo de um DNA e esse filamento de proteína de DNA procura uma sequência de DNA homóloga. Ambos os processos de polimerização RecA e pesquisa de homologia utilizam o mecanismo de revisão cinética.
• Reconhecimento e reparo de danos ao DNA - um certo mecanismo de reparo do DNA utiliza revisão cinética para discriminar o DNA danificado. Algumas DNA polimerases também podem detectar quando adicionaram uma base incorreta e são capazes de hidrolisá-la imediatamente; neste caso, a etapa irreversível (que requer energia) é a adição da base.
• Discriminação de antígenos por receptores de células T - as células T respondem a antígenos estranhos em baixas concentrações, enquanto ignoram quaisquer autoantígenos presentes em concentrações muito mais altas. Essa capacidade é conhecida como discriminação de antígeno . Os receptores de células T usam revisão cinética para discriminar entre antígenos de alta e baixa afinidade apresentados em uma molécula de MHC . As etapas intermediárias da revisão cinética são realizadas por várias rodadas de fosforilação do receptor e suas proteínas adaptadoras.

Considerações teóricas

Tempo universal de primeira passagem

Os processos bioquímicos que usam revisão cinética para melhorar a especificidade implementam a catraca multipasso indutora de atraso por uma variedade de redes bioquímicas distintas. No entanto, muitas dessas redes resultam nos tempos de conclusão da montagem molecular e nas etapas de revisão (também conhecidas como o primeiro tempo de passagem ) que se aproximam de uma forma exponencial quase universal para altas taxas de revisão e grandes tamanhos de rede. Como os tempos de conclusão exponencial são característicos de um processo de Markov de dois estados , essa observação torna a revisão cinética um dos poucos exemplos de processos bioquímicos onde a complexidade estrutural resulta em uma dinâmica fenomenológica de grande escala muito mais simples.

Topologia

O aumento na especificidade, ou o fator de amplificação geral de uma rede de revisão cinética que pode incluir várias vias e, especialmente, loops está intimamente relacionado à topologia da rede: a especificidade cresce exponencialmente com o número de loops na rede. Um exemplo é a recombinação homóloga em que o número de loops é igual ao quadrado do comprimento do DNA. O tempo de conclusão universal surge precisamente neste regime de grande número de loops e alta amplificação.

Referências

Leitura adicional